2022年GPS在时间同步装置中的应用 .pdf

GPS在时间同步装置中的应用河南新乡电子工业部第二十二研究所二室(453003)赵让元李蕾张红旗摘要 : GPS 接收板有时间信息输出, 应用于时间同步装置, 该装置体积小 、 设计简单 、 时间输出稳定 、 精度可达 1 s, 便于推广 。关键词: GPS接收板单片机时间同步(时同) 串行口锁存器现代的很多科学技术领域都离不开高精度的时间与频率的校对与测量。 所谓的无线电时号,就是指无线电授时台为服务于此目的以一定的标准频率,按一定的形式发布的载有某种标准时间信息的无线电时号。时间同步的实现方法有多种,主要有短波时同(如收测BPM时号)、 长波时同(如收测BPL时号)、 电视时同(如电视消隐信号中插入时间信息)以及目前发展较快的GPS时同。时间同步装置广泛应用于国防、 科研以及电力 、 铁道、 航远、 地震、 地质勘探 、 大地测量 、 钟表工业等部门 。本文主要介绍GPS接收板在雷电多站定位系统、电离层控测器的时间同步装置中的应用。1GPS 接收板GPS2020是美国GARMIN公司出品的GPS接收板(GlobalPositioningSystem全球定位系统) ,尺寸为4615 mm6918mm1114mm ,重量为31g,采用单一+5 V供电,接收频率是1575142 MHz ,同时跟踪8颗卫星,以NMEA0183 V 210ASCII的数据格式通过两 个RS232兼容串行口(TTL电平)输出位置 、 速度、 时间等信息 。 输出的秒脉冲(1PPS)精度指标高达10-6s。 输出数据的信号格式(其中一句)如下:GPRMC ,3hh 代表时间信息的各项为:格林威治UTC时间,格式为时时分分秒秒(比北京时间早8个小时,需要北京时间时需转换) ;格林威治UTC日期,格式为日日月月年年。各种信号输出头为单排12插针,有关的插针定义为:Pin2: RXD 2(串行输入口2) ;Pin3:1PPS(秒脉冲信号) ;Pin5: RXD 1(串行输入口1) ;Pin8:GND(地线) ;Pin10:VCC (单一+5 V电源) ;Pin12: NMEA(输出NMEA0183语句)。串行通信速率由RXD 1、RXD 2状态决定,设置如下:通信速率:1200240048009600RXD 1NC0V+5 VNC0 V+5 VRXD 2+5 V+5 VNC0 VNC0 V2在雷电多站定位系统中的应用方位汇交原理的雷电多站定位系统,由一个主站和几个副站组成 。 各个副站的时间同步精度要求小于2 ms ,当接收到某一雷电信号时,副站的PC机记下该雷电的发生时刻(时、 分、 秒、 毫秒) ,然后将配了时间信息的雷电数据传输给主站。 根据以上要求,设计的时间同步装置为一块印制板,作为普通I O卡直接插在PC机的扩展槽中,其原理框图如图1所示。211时间同步GPS接收板(默认通信速率为4800波特)每秒在12脚输出各种数据信息,经74LS 04反相后送至串行口8250的 接 收 端,经 串-并 数 据 转 换, PC机 通 过74LS 245获得时间 、 日期、 经纬度等信息,将时、 分、 秒信息提取出来,用于初始化PC机的软件钟,从而作到本地时 、 分、 秒与UTC同步。GPS接收板的3脚输出秒信号(脉宽为100ms ,上升沿就是UTC时刻) ,经微分电路得到宽度为1s的秒信号,对分频电路(3片二-十 分 频 器74LS 390 )清 零,从 而 作 到 本 地 毫 秒 与UTC同步,同时,它还送往PC机的中断7,作为软件钟的秒信号,使软件钟走时,然后判断“锁存标志”的状态,若为低,软件钟的新的时 、 分、 秒分别刷新软锁存器的时、 分、 秒,若为高,则不刷新 。212读取时间D 9是门阵列GAL 16V 8,在这里作地址译码器,地址分配如下:2A 0锁存毫秒(读该地址,D 9的Y 7输出一个锁存脉冲给三片74LS 373的CLK );2A 2读毫秒的十分位和百分位(读该地址, D 9的Y4输出一个脉冲给D8的OE,D8输出数据,经74LS 245到PC机);83电子技术应用 1997 年第 5 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 4 页 - - - - - - - - - 2A 4读毫秒的千分位(读该地址, D 9的Y 3输出一个脉冲给D 7的OE ,D 7输出数据);图1雷电多站定位系统中时间同步装置原理图2A 82AF选通8250 (读写此地址, D 9的Y 2输出一个脉冲给D 2的片选端CS2);2A 02AF选通74LS 245(读写此地址, D9的Y 5输出一个脉冲给D 11的片选端G)。当副站收测到某一雷电信号时,PC机按以下步骤读取时间2:?读2A0(锁存毫秒) ;?置 “锁存标志”(锁存时分秒);?读2A 2(读毫秒的十分位和百分位) ;?读2A 4 (读毫秒的千分位) ;?读时 、 分、 秒;?清 “锁存标志”;?由软件钟的时、 分、 秒分别刷新软锁存器。3在电离层探测器中的应用电离层探测器分布在全国九个电波观测站,在UTC同一时刻测量当地电离层的某些参数,各个站要求时间同步精度在2s。它要求时间同步装置提供同步指令和标准信号,作为I O卡插在PC机的扩展槽中。同步指令产生时刻共三组:93电子技术应用 1997 年第 5 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 4 页 - - - - - - - - - 每小时的00分、15分、30分、45分00分、30分00分由三档开关选择其中一组。 同步指令脉冲上升沿与UTC同步(误差小于1s) ,其宽度为20100s,分两路输出:一路为正脉冲,一路为负脉冲, TTL电平;标准信号三种:50 PPS,100 PPS和200PPS,用跳线方式选择其中一种。 标准信号与同步指令同时输出,持续时间5min ,它们的脉宽为20100s。根据以上任务要求,时间同步装置的原理框图如图2。图2探测器中时间同步装置原理图原理如下:与图1相比,由单片机87513代替PC机,实现与GPS接收板的串行通信。8751中做一个软件钟,从串行数据中取出时间对软件钟初始化,反相后的GPS秒信号送给8751的外中断0(INT 0) ,使软件钟计数走时 。同时, GPS秒信号经微分电路 、 整形电路输出宽度012s的脉冲对分频电路清零。 从而本地时间与UTC同步。由分频电路得到的500PPS信号送给8751的外中断1 (INT 1) ,响应外中断1,在寄存器20H计数,于是8751中有毫秒信息 。 寄存器20H计数到499时关外中断1,响应外中断0时清零该寄存器,并打开中断1。开关K有三个位置:掷于1,即P114=0、P115=1,选择第一组同步指令;掷于2,即P114=1、P115=1,选择第二组同步指令;掷于3,即P114=1、P115=0,选择第三组同步指令 。若选择第一组同步指令输出方式,(下转第45页)04电子技术应用 1997 年第 5 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 4 页 - - - - - - - - - 道需要三种:同步消隐D 2c输出波形如图4 (h) ;再生同步D 2d与同步消隐D2c输出相同 。整形后R113输出如图4(i)。 脉冲前后沿有一定斜度,斜坡中点对准同步脉冲前后沿,确保脉宽417s;主路箝位V33输出如图4(e)。同步分离需要两种:支路箝位V49输出如图4(f);防护电路D3b输出如图4 (g)。 当N 2a输出脉宽小于6s时,D 6a输出0 V。当N 2a脉宽大于6s时,D 6a输出正电压,最终N4输出正电压 。按照脉冲形成的逻辑由前向后逐级观测波形就能很快压缩故障范围。 测量中要特别注意时间对应关系。成品机不会出现线路错误,脉宽不合适时更换定时阻容,脉冲无输出时更换CMOS块。312视频通道的检修视频通道中输入放大后是阻容耦合,此后和此前都是直接耦合,测量电压和电流寻找故障是十分困难的。 简捷可靠的办法是从X1送测试信号,逐级观测信号的波形 。 图5是送入1Vp-p锯齿波标准测试信号时视频通道各关键点的波形。 由于晶体管参数离散性使得输出幅度未必与图中所标一致,重要的是不能失真 。当各级波形大致相近后,用示波器直流档测消隐电平,偏离0V时调整箝位差放V14的固定偏置电阻R45。 各级增益互补后,最后输出X2应与X1输入幅度相等 。 不等时调整输入放大的R17。 加大X1的输入,调整白电平限幅R62使输出图象信号刚好在017V时起限 。图5视频通道关键点的波形 再 生 同 步 与 图象 合 并 后,在X2输出 观 测 二 者 的 时 间关系,出现时差时应调 整 低 通 滤 波 器 中的电容器C36。 同步幅度偏离013V时调整 再 生 同 步 输 出 端R113。视 频 信 号 幅 频特 性 不 佳 时 送 入 多波群测试信号、 调整同步消隐中C12和白电平限幅后的高频补偿L2。视频信号处理引起失色时送入叠加副载波的测试信 号,调 整 箝 位 脉 冲 输 入 的L1,使 色 同 步 幅 度 为013Vp-p,调整白电平限幅中L2,使副载波幅度最大 。(收稿日期:19961218)(上接第10页)检测,图4显示出左房运动的光流场检测。图4心脏左房光流图此外,本系统并不局限于B超图像,对于所有可以检测边界的医学成像系统(如X光电视的系列)图像也是可以适用的。参考文献1林强 1心脏B超轮廓光流场的一种检测方法1电子学报,1996.42林强 1左室轮廓光流场的检测及其临床应用1福大学报,1995.103B. K. Horn ,B. G. Schunk. DetermingOpticalFlow . Artifi2cal Intelligerenee . Vol ,17,19814B. G. Schunk. Image Flow. Fundamentaland FutureRe2search. Proc. of CAPR 85. San Francisco ,CA.1985(收稿日期:19961112)(上接第40页)在14min 59s998ms时, P110、P111由高变低,打开两个与 非 门,准 备 输 出 同 步 指 令 和 标 准 信 号。 在15min 00s2 ms , P110变高,关闭与非门D 7A ,禁止输出同步指令;在19min 59s998ms时, P111变高,关闭与非门D 7C,使标准信号持续5min。 图中各点的时序如图3所示。图3各点的时序关系GPS接收板集成化程度高、有1PPS信号及时间信息输出,加一片单片机即可开发应用 。GPS接收板应用于时间同步装置,使该装置体积小,可直接做为一个I O卡插在PC机的扩展槽中,时同精度达1s(GPS-25可做到更高) , GPS时间同步装置不受地理位置、 气候的限制,可满足多数用户的要求 。GPS时间同步装置便于推广,有广阔的应用前景 。参考文献1 “GPS 20 GPS SENSOR BOARDTECHNICALSPECIFI2CATION” 1 思壮科技与GPS,19952赵让元 1 “XDD 03型雷电探测系统GPS时钟电路设计报告” 1电子部22所研究报告,19963李华 1MCS51系列单片机实用接口技术1北京航空航天大学出版社,1993(收稿日期:19961015)54电子技术应用 1997 年第 5 期名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 4 页 - - - - - - - - -